CN114320195B - 一种连续冲砂洗井用换向接头 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种连续冲砂洗井用换向接头，包括外壳体和换向总成，在外壳体内部设有换向总成；所述外壳体包括从上到下依次连接的上接头、外筒、下接头；所述换向总成包括密封座、阀芯、多个密封圈；所述密封座安装在上接头内部，所述阀芯下端设有弹簧，所述弹簧安装在阀芯与外筒之间，所述弹簧下端与下接头上端面连接；在外筒上设置贯穿孔，作为外通孔；在阀芯的下段侧面设置贯穿孔，作为内通孔，内通孔与外通孔的直径相同；阀芯在外筒内部沿轴向运动，实现上接头至阀芯内腔流道、外通孔至阀芯内腔流道开启及关闭的切换。本发明能实现不停泵、高效、高质量连续冲砂洗井作业。

Description

一种连续冲砂洗井用换向接头

技术领域

本发明属于油气田开发技术领域，特别涉及油气田连续冲砂洗井工具技术领域，具体是一种连续冲砂洗井用换向接头。

背景技术

在油气生产过程中，地层中的砂粒不可避免地随着油气的产出进入井筒中。其中，部分砂粒被油气携带到地面，沉积在管线及设备中；部分砂粒则在井底沉积，并且随着生产时间的延长逐渐增多，从而堵住产层、井下管柱等，导致油气产量下降。所以，当井下砂粒堆积至一定厚度，需要实施洗井作业。冲砂洗井是清理油气井井筒内积砂的重要手段，其方法是利用冲砂液将井底的砂粒携带到地面。

采用普通油管进行冲砂洗井时，需要采用接单根的方式实现冲砂管柱的延伸。为了避免接单根过程中，因停泵而导致井筒内的砂粒沉降，影响洗井质量和效率，使用换向接头、井口换向自封、换向阀、循环管线，实现连续冲砂作业。现有换向接头存在弹簧容易卡死造成阀芯无法复位，过流截面小易发生堵塞等不足，导致冲砂洗井无法顺利完成。

因此，本发明提供一种克服弹簧卡死、过流截面的连续冲砂洗井用换向接头，其对于实现不停泵、高效、高质量连续冲砂洗井作业有很大价值。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种连续冲砂洗井用换向接头，能实现不停泵、高效、高质量连续冲砂洗井作业。

本发明采用的技术方案是：

一种连续冲砂洗井用换向接头，包括外壳体和换向总成，换向总成安装在外壳体内部；所述外壳体包括从上到下依次连接的上接头、外筒、下接头；所述换向总成包括密封座、阀芯，弹簧、第一密封圈、第二密封圈、第三密封圈、第四密封圈、第五密封圈、第六密封圈、第七密封圈、第八密封圈；所述密封座安装在上接头内部，所述阀芯下端设有弹簧，所述弹簧安装在阀芯与外筒之间，所述弹簧与下接头连接，阀芯下端圆筒安装在下接头的环形槽内；在外筒上设置贯穿孔，作为外通孔；在阀芯的下段侧面设置贯穿孔，作为内通孔；内通孔与外通孔的直径相同，阀芯在外筒内部沿轴向运动，实现上接头至阀芯内腔流道、外通孔至阀芯内腔流道开启及关闭的切换；当内通孔与外通孔联通并共轴线时，外通孔至阀芯内腔流道开启，阀芯与密封座接触密封，上接头至阀芯内腔流道的关闭；当内通孔与外通孔错位后，外通孔至阀芯内腔流道关闭，阀芯与密封座之间的流道打开，上接头至阀芯内腔流道的开启。

优选的，所述上接头分为上下两部分，上接头内侧下部设有环形台阶，在环形台阶的圆周方向设有至少八个沿轴向的通孔，所述上接头的下部设有内螺纹；所述密封座的外壁面设有外螺纹，在密封座上设有一个沿轴向螺纹盲孔；密封座的外螺纹与上接头上部的内螺纹连接，通过对密封座的转动来调节密封座与上接头螺纹的轴向相对位置，从而实现阀芯开启压力的可调节；当旋转密封座到达设计位置后，锁紧螺栓穿过上接头环形台阶上的通孔与密封座上的螺纹联结，将密封座锁死，防止密封座在流体冲击、振动作用下旋转。

优选的，上接头的下部外侧自上而下设有外螺纹和光滑面，且外螺纹用于与外筒内侧连接，在光滑面与外筒的接触面设有第二密封圈，上接头的下部内侧设有四个径向孔，此径向孔从上接头的下部靠近上端的内侧向外开孔，并在壁内设有向下延伸穿透至上接头的下部的下端面的轴向孔；所述阀芯包括上、中、下三段，阀芯的上段用于与密封座构成线密封，阀芯的中段外径小于阀芯下段，所述阀芯的中段外壁与上接头的下端内壁为间隙配合，且在阀芯的中段外壁与上接头的下端内壁之间设有第一密封圈，阀芯下端外壁面与外筒之间设有第二密封圈；正常下放冲砂管柱时，冲砂液由上接注入，经密封座的主通孔，产生作用于所述阀芯台阶面的竖直向下的力；同时，冲砂液经上接头上周向布置的径向孔、与径向孔相连同的轴向孔流入阀芯与外筒构成的液压缸中，同时，冲砂液的压力作用于阀芯顶部的圆弧形面上，产生竖直向下的力，此力有助于阀芯开启、增加阀芯的开度。

优选的，在阀芯与外筒之间设有至少两排滚珠，滚珠镶嵌在阀芯或外筒的壁面内，每排滚珠的圆周方向布置至少三个滚珠，有利于提高阀芯相对于外筒的同轴度，并且阀芯与外筒构成滚动副，减少了阀芯的沿轴向运动的摩擦阻力，降低了阀芯卡死的风险。

优选的，阀芯中部圆周方向设有两个螺纹盲孔，在外筒的侧面设有两个L型槽，销钉穿过外筒上的L型槽与阀芯的螺纹孔通过螺纹连接；所述阀芯与外筒在销钉螺纹孔的上方和下方分别设有第四密封圈和第五密封圈，用于实现对L型槽的密封；当阀芯卡死时，可通过手动操作给销钉施加沿阀芯轴向的作用力，驱动阀芯在L型槽内运动，从而解除卡死；在L型槽的水平段上侧的槽面设有齿，销钉的圆柱面上设有与型槽的水平段上槽面的齿相啮合的齿，销钉圆柱面上的齿与型槽上的齿啮合形成自锁，使阀芯密封座处的通道处于常开状态，减少了冲砂液的局部压力损失、阀芯振动。

优选的，作为外通孔，在阀芯的下段侧面设置的贯穿孔与外通孔的直径相同，作为内通孔，且在内通孔的下方和上方分别设有用于与外筒之间密封的第七密封圈和第六密封圈；在下接头上端设有一段环形沉槽，在环形沉槽的内部安装阀芯的底部圆筒，弹簧安装在阀芯的底部圆筒与外筒之间，弹簧的上端与阀芯下端的台阶面抵紧，弹簧的下端与下接头的台阶面抵紧，在阀芯的底部圆筒与下接头环形沉槽的壁面间设有第八密封圈。

本发明的有益效果：

1、本发明创造性的提出了上接头与阀芯构成液压缸的方式，通过液力驱动，增加了阀芯开启的驱动力和阀芯的开度，降低了阀芯卡死和堵塞的风险；采用这种方式，与传统的通过诸如投球等方式实现开启关闭，能极大的提高使用效率，且减少过程中出现意外卡顿等问题的几率，并且能节约成本，减少后续维护的时间。

2、通过对上接头和密封座的配合方式的设置，使其能够便于调节安装位置，为弹簧的行程给出变化流出空间，实现可调节性。

3、本发明通过销钉与L型槽上的齿啮合形成自锁，使阀芯向下压缩弹簧，使上接头、阀芯通孔至阀芯内腔的流道处于常开状态，减少了冲砂液的局部压力损失、避免流体压力与弹簧力诱导的阀芯振动和流体冲击；

当阀芯因为放置过久或遇到杂物，无法上、下移动导致卡死时，可通过操作销钉，使销钉在F型槽内运动，从而带动阀芯在外筒内上下运动，解除阀芯的卡死状态。

4、外筒与阀芯之间设有滚珠，使外筒与阀芯形成滚动副，有效地减小了阀芯轴向运动的摩擦阻力，降低了阀芯卡死的风险，并且提高其同心度，减少内部磨损。

附图说明

图1为本发明的结构剖视示意图；

图2为图1的上部细节图；

图3为图1的中部细节图；

图4为图1的下部细节图；

图5为冲砂管柱接单根过程中冲砂液流动示意图；

图6为冲砂管柱正常下放过程中冲砂液流动示意图；

图7为冲砂管柱接单根过程中发明中冲砂液流动示意图；

图8为冲砂管柱正常下放过程中本发明中冲砂液流动示意图；

图9a-图9c为外筒的外部在销钉带动阀芯运动过程的右视图；

图10为上接头的结构示意图；

图11为图10中A-A截面剖视图；

图12为阀芯的结构示意图。

图中：

100.换向接头，

1.上接头，2.密封座，3.外筒，4.第一密封圈，5.阀芯，6.销钉，7.滚珠，8.弹簧，9.第二密封圈，10.第三密封圈，11.第四密封圈，12.第五密封圈，13.第六密封圈，14.第七密封圈，15.第八密封圈，16.下接头，17.锁紧螺栓，18. L型槽。

a.外通孔，b.内通孔，c.径向孔，d.轴向孔，e.上段顶部，f.主通孔，g.侧孔，h.阀芯内腔，i.螺纹盲孔，j.阀芯的中段外壁，k.阀芯台阶面。

实施方式

下面结合实施例对本发明进一步说明，需要说明的是，在本文中，诸如“上”、“下”等词语，仅仅用于方便对附图进行描述，并非限制实际使用中的方向，且不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素；本发明内所述的部分液力、电力、风力等驱动机构，未说明具体连接或运动方式的，都属于常规的现有技术方案。

如图1-图12所示，一种连续冲砂洗井用换向接头包括外壳体和换向总成，外壳体内部设有换向总成；所述外壳体包括从上到下依次连接的上接头1、外筒3、下接头16；所述换向总成包括密封座2、阀芯5、弹簧8、第一密封圈4、第二密封圈9、第三密封圈10、第四密封圈11、第五密封圈12、第六密封圈13、第七密封圈14、第八密封圈15；所述密封座2安装在上接头1内部，所述阀芯5下端设有弹簧8，所述弹簧8安装在阀芯5与外筒3之间，所述弹簧8与下接头16连接；在外筒3上设置贯穿孔，作为外通孔a，在阀芯5的下段侧面设置贯穿孔，作为内通孔b，内通孔b与外通孔a的直径相同，阀芯5在外筒3内部沿轴向运动，实现上接头1至阀芯内腔h流道、外通孔a至阀芯内腔h流道开启及关闭的切换；当内通孔b与外通孔a联通并共轴线时，外通孔a至阀芯内腔h流道开启，阀芯5与密封座2接触密封，上接头1至阀芯内腔h流道的关闭；当内通孔b与外通孔a之间错位后，外通孔a至阀芯内腔h流道关闭，阀芯5与密封座2之间的流道打开，上接头1至阀芯内腔h流道的开启。

如图1-4所示，所述上接头1分为上下两部分，上接头1的上部设有内螺纹，所述密封座2设有外螺纹，并安装在上接头1的这段内螺纹上，旋转密封座2改变旋转密封座2与阀芯5的轴向相对位置，从而改变弹簧8压力的大小；上接头1内侧下部设有环形台阶，在环形台阶的圆周方向设有至少八个沿轴向的通孔，在密封座2上设有一个沿轴向螺纹盲孔，旋转密封座2到达设计位置后，锁紧螺栓17穿过环形台阶上的通孔与密封座2上的螺纹联结，将密封座2锁死，防止密封座2在流体冲击、振动作用下旋转。

所述上接头1的下部外侧自上而下设有外螺纹和光滑面，外螺纹用于与外筒3内螺纹连接，在光滑面与外筒3的接触面间设有第二密封圈9，上接头1的下部内侧设有四个径向盲孔c，此径向孔c从上接头1的下部靠近上端的内侧向外开孔，并在壁内设有向下延伸穿透至上接头1的下部的下端面的轴向孔d；

所述阀芯5包括上中下三段，阀芯5的上段用于与密封座2配合，阀芯5的中段外径小于阀芯5下段，所述阀芯5的中段外壁j与上接头1的下端内壁为间隙配合，且在阀芯5的中段外壁b与上接头1的下端内壁之间设有第一密封圈4，阀芯5的下端设有圆筒结构。

所述阀芯5的上段在圆弧形面下方为空心柱状段，且在空心柱状段侧面开设贯穿孔，作为侧孔g；在密封座2的中部设有一个与阀芯5上段顶部e对应的通孔，作为主通孔f，当阀芯5上段顶部e接触密封座2中部的主通孔f边缘时，上接头1至阀芯内腔h的流道关闭；

在下接头16的设有一段环形槽，在环形槽的内部安装阀芯5的底部圆筒，所述弹簧8套装阀芯5的底部圆筒与外筒3之间，弹簧8的上端与阀芯5下端的台阶面接触，弹簧8的下端与下接头16的端面抵紧，在阀芯5的底部圆筒内壁面与下接头16环形槽壁面间设有第八密封圈15；

外筒3上设置贯穿孔，作为外通孔a，在阀芯5的下段侧面设有与外通孔a的直径相同的贯穿孔，作为内通孔b，且在内通孔b的下方和上方分别设有用于与外筒3之间密封的第七密封圈14和第六密封圈13。

在阀芯5与外筒3之间优选的设有三排滚珠7，滚珠7镶嵌在阀芯5或外筒3的壁面内，每排滚珠7的圆周方向优选的设有八个等距的滚珠7，有利于提高阀芯5相对于外筒3的同轴度，并且阀芯5与外筒3构成滚动副，减少了阀芯5的沿轴向运动的摩擦阻力，降低了阀芯5卡死的风险。

阀芯5中部圆周方向设有2个螺纹盲孔i，在外筒3的侧面设有两个L型槽18，销钉6穿过外筒3上的L型槽18与阀芯5的螺纹盲孔i通过螺纹连接；当阀芯5卡死时，可通过手动操作给销钉6施加沿阀芯5轴向的作用力，驱动阀芯5在L型槽内运动，从而解除卡死。

所述阀芯5与外筒3在销钉螺纹盲孔i的上方和下方分别设有第三密封圈10、第四密封圈11和第五密封圈12，用于实现对阀芯5与外筒3在L型槽18的上下密封。

如图5-6所示，下接头16与油管的上接头内螺纹通过螺纹联结组成单根，油管下端接头外螺纹与上接头1通过螺纹联结构成冲砂作业管柱，冲砂作业管柱从井口换向自封中心下入，置于套管内部。

如图5、图7所示，箭头代表冲砂液流动方向，接单根时，油管的下接头与井内位于冲砂管柱顶端的连续冲砂洗井用换向接头100的上接头1螺纹联结，从而实现接单根；在接单根过程中，冲砂管路A停止供给冲砂液、泄压，在弹簧8压力的作用下阀芯5的顶部圆弧形面h与密封座2的主通孔f的壁面形成线密封，此处无法形成流体通道，即上接头1至阀芯内腔h流道关闭；同时，经泵加压的冲砂液经换向阀、冲砂管路B流入井口换向自封，经井口换向自封的环形腔室、外筒3的外通孔a流入阀芯5的内通孔b、阀芯5的内部流道即阀芯内腔h，进而进入下面的冲砂管柱，完成冲洗作业后形成的返排液经冲砂管柱与套管之间的环空返回到井口，经出液口流入除砂装置。

如图6、图8所示，箭头代表冲砂液流动方向，正常下放冲砂管柱时，冲砂管柱最上端安装连续冲砂洗井用换向接头100，上接头1与冲砂管路A联结；经泵加压的冲砂液经换向阀、冲砂管路A进入上接头1，冲砂液的压力作用于阀芯5的顶部e的圆弧形面上，产生竖直向下的力P1；冲砂液经上接头1上周向布置的径向孔c、与径向孔c相连同的轴向孔d流入阀芯5与外筒3构成的液压缸中，产生作用于阀芯台阶面k的竖直向下的力P2；在力P1与P2的作用下，阀芯5沿轴线方向竖直向下运动，弹簧8发生压缩变形，阀芯5打开，冲砂液经阀芯5的侧孔j进入阀芯5的阀芯内腔h，从而进入下面的冲砂管柱，完成冲洗作业的返排液经冲砂管柱与套管之间的环空返回到井口，经出液口流入除沙装置；与此同时，外筒3的外通孔a与阀芯5上的内通孔b错位，无法形成流体通道。

如图9a至9c所示，若未下入井内的连续冲砂洗井用换向接头的阀芯5卡死，在弹簧8的弹力与冲砂液压力作用下无法沿轴线向上、或向下运动时，可采用人工或机械向销钉6施加力，从而驱动阀芯5运动，实现连续冲砂洗井用换向接头的正常工作。销钉6的顶端设有至少一个突出的齿，在L型槽18水平段的上侧，设有适应齿的缺口，且L型槽18水平段的宽度与销钉6加上齿的高度相配合，竖直段的宽度与销钉6不带齿的宽度相配合，确保销钉6在L型槽18内运动顺畅。所述螺纹孔e与销钉6配合，当销钉6旋紧时，确保销钉6的齿与L型槽18的缺口对接。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的技术内容作出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的改进。

Claims (6)

1.一种连续冲砂洗井用换向接头，其特征在于，包括外壳体和换向总成，换向总成安装在外壳体内部；所述外壳体包括从上到下依次连接的上接头、外筒、下接头；所述换向总成包括密封座、阀芯，弹簧、第一密封圈、第二密封圈、第三密封圈、第四密封圈、第五密封圈、第六密封圈、第七密封圈、第八密封圈；所述密封座安装在上接头内部，所述阀芯下端设有弹簧，所述弹簧安装在阀芯与外筒之间，所述弹簧与下接头连接，阀芯下端圆筒安装在下接头的环形槽内；所述阀芯的上段在圆弧形面下方为空心柱状段，且在空心柱状段侧面开设贯穿孔，作为侧孔；在密封座的中部设有一个与阀芯上段顶部对应的通孔，作为主通孔；在外筒上设置贯穿孔，作为外通孔；在阀芯的下段侧面设置贯穿孔，作为内通孔，内通孔与外通孔的直径相同；阀芯在外筒内部沿轴向运动，实现上接头至阀芯内腔流道、外通孔至阀芯内腔流道开启及关闭的切换。

2.根据权利要求1所述的一种连续冲砂洗井用换向接头，其特征在于，所述上接头分为上下两部分，上接头内侧下部设有环形台阶，在环形台阶的圆周方向设有至少八个沿轴向的通孔，所述上接头的下部设有内螺纹；所述密封座的外壁面设有外螺纹，在密封座上设有一个沿轴向螺纹盲孔；密封座的外螺纹与上接头上部的内螺纹连接，通过对密封座的转动来调节密封座与上接头螺纹的轴向相对位置，从而实现阀芯开启压力的可调节；当旋转密封座到达设计位置后，锁紧螺栓穿过上接头环形台阶上的通孔与密封座上的螺纹联结，将密封座锁死，防止密封座在流体冲击、振动作用下旋转。

3.根据权利要求2所述的一种连续冲砂洗井用换向接头，其特征在于，上接头的下部外侧自上而下设有外螺纹和光滑面，且外螺纹用于与外筒内侧连接，在光滑面与外筒的接触面设有第二密封圈，上接头的下部内侧设有四个径向孔，此径向孔从上接头的下部靠近上端的内侧向外开孔，并在壁内设有向下延伸穿透至上接头的下部的下端面的轴向孔；所述阀芯包括上、中、下三段，阀芯的上段用于与密封座构成线密封，阀芯的中段外径小于阀芯下段，所述阀芯的中段外壁与上接头的下端内壁为间隙配合，且在阀芯的中段外壁与上接头的下端内壁之间设有第一密封圈，阀芯下端外壁面与外筒之间设有第二密封圈；正常下放冲砂管柱时，冲砂液由上接注入，经密封座的主通孔，产生作用于所述阀芯台阶面的竖直向下的力；同时，冲砂液经上接头上周向布置的径向孔、与径向孔相连同的轴向孔流入阀芯与外筒构成的液压缸中，同时，冲砂液的压力作用于阀芯顶部的圆弧形面上，产生竖直向下的力，此力有助于阀芯开启、增加阀芯的开度。

4.根据权利要求1所述的一种连续冲砂洗井用换向接头，其特征在于，在阀芯与外筒之间设有至少两排滚珠，滚珠镶嵌在阀芯或外筒的壁面内，每排滚珠的圆周方向布置至少三个滚珠，有利于提高阀芯相对于外筒的同轴度，并且阀芯与外筒构成滚动副，减少了阀芯的沿轴向运动的摩擦阻力，降低了阀芯卡死的风险。

5.根据权利要求1所述的一种连续冲砂洗井用换向接头，其特征在于，阀芯中部圆周方向设有两个螺纹盲孔，在外筒的侧面设有两个L型槽，销钉穿过外筒上的L型槽与阀芯的螺纹孔通过螺纹连接；所述阀芯与外筒在销钉螺纹孔的上方和下方分别设有第四密封圈和第五密封圈，用于实现对L型槽的密封；当阀芯卡死时，可通过手动操作给销钉施加沿阀芯轴向的作用力，驱动阀芯在L型槽内运动，从而解除卡死；在L型槽的水平段上侧的槽面设有齿，销钉的圆柱面上设有与型槽的水平段上槽面的齿相啮合的齿，销钉圆柱面上的齿与型槽上的齿啮合形成自锁，使阀芯密封座处的通道处于常开状态，减少了冲砂液的局部压力损失、阀芯振动。

6.根据权利要求1所述的一种连续冲砂洗井用换向接头，外筒上设置贯穿孔，作为外通孔，在阀芯的下段侧面设置的贯穿孔与外通孔的直径相同，作为内通孔，且在内通孔的下方和上方分别设有用于与外筒之间密封的第七密封圈和第六密封圈；在下接头上端设有一段环形沉槽，在环形沉槽的内部安装阀芯的底部圆筒，弹簧安装在阀芯的底部圆筒与外筒之间，弹簧的上端与阀芯下端的台阶面抵紧，弹簧的下端与下接头的台阶面抵紧，在阀芯的底部圆筒与下接头环形沉槽的壁面间设有第八密封圈。